专利名称：单电源d类放大器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及D类放大器，并更特别涉及使用信号供给的D类放大器。
背景技术：
当前，德州仪器公司(TI)供应包括DIRECTPATH 架构的多种音频放大器。该架构的一些特征是不需要输出直流或DC阻塞电容器，而且具有负供电轨。一个示例是TI的TPA6140A2，其是G类放大器，该G类放大器使用电荷泵使电压(源自正电源)反向，以产生负电源电压，从而耳机放大器输出可以在不需要DC阻塞电容器的情况下集中在0V。然而，存在与此架构关联的一些折衷，即，供应负电源电压需要若干外部组件，并且它降低了效率。另外，这些类型的装置可能也需要具有分离的功率管理电路(即，降压变换器)。因此，需要提供相似优点但没有所述缺点的方法或设备。·一些其它常规电路在美国专利6，320, 460 ;6，753，729 ;7，330, 069 ;以及7，400，191 中描述。
发明内容
本发明的示例性实施例提供一种设备，其包括接收输入信号的积分器；耦合到积分器的脉宽调制器(PWM);耦合到PWM的逻辑电路；以及输出级，该输出级具有第一节点；第二节点；第三节点；耦合到地的第四节点；在第一和第二节点之间耦合的电容器；以及耦合到第一节点、第二节点、第三节点、第四节点和供电轨的开关网络，其中该开关网络由逻辑电路控制，以便在第一模式、第二模式和第三模式中操作，并且其中在第一模式中，电压源将电容器充电并且第三节点接地，并且其中在第二模式中，电容器向第三节点提供正电源电压，并且其中在第三模式中，电容器提供第三模式中的负电源电压。根据本发明的示例性实施例，所述开关网络进一步包含在供电轨和第一节点之间耦合的第一开关，其中该第一开关在第一模式中闭合；在第一节点和第四节点之间耦合的第二开关，其中该第二开关在第三模式中闭合；在第一节点和第三节点之间耦合的第三开关，其中该第三开关在第二模式中闭合；在第二节点和第四节点之间耦合的第四开关，其中该第四开关在第一模式和第二模式中闭合；在第二节点和第四节点之间耦合的第五开关，其中该第五开关在第三模式中闭合；以及在第三节点和第四节点之间耦合的第六开关，其中该第六开关在第一模式中闭合。根据本发明的示例性实施例，输入信号是差分的。根据本发明的示例性实施例，积分器进一步包含具有第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子和第二输出端子的放大器；以及在第一输入端子和第一输出端子之间耦合的第一反馈电容器；以及在第二输入端子和第二输出端子之间耦合的第二反馈电容器。根据本发明的示例性实施例，PWM进一步包含具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第一比较器，其中该第一比较器的第一输入端子耦合到积分器，并且其中该第一比较器的输出端子耦合到逻辑电路；具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第二比较器，其中该第二比较器的第一输入端子耦合到积分器，并且其中该第二比较器的输出端子耦合到逻辑电路；以及耦合到第一比较器的第二输入端子和第二比较器的第二输入端子的斜坡发生器。根据本发明的示例性实施例，提供一种设备。该设备包含生成音频信号的音源；D类放大器，该D类放大器具有耦合到音源以便接收音频信号的第一电容器；耦合到第一电容器的积分器；稱合到积分器的脉宽调制器(PWM);耦合到PWM的逻辑电路；以及输出级，该输出级具有第一节点；第二节点；第三节点；耦合到地的第四节点；在第一和第二节点之间耦合的电容器；以及耦合到第一节点、第二节点、第三节点、第四节点和供电轨的开关网络，其中该开关网络由逻辑电路控制，以便在第一模式、第二模式和第三模式中操作，并且其中在第一模式中，电压源将电容器充电并且第三节点接地，并且其中在第二模式中，电容器向第三节点提供正电源电压，并且其中在第三模式中，电容器提供第三模式中的负电源电压；以及耦合到第三节点的扬声器。
根据本发明的示例性实施例，提供一种设备。该设备包含供电轨；第一节点；第二节点；第三节点；耦合到地的第四节点；接收输入信号的第一部分的第一直流(DC)阻塞电容器；接收输入信号的第二部分的第二 DC阻塞电容器；具有第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子和第二输出端子的放大器，其中放大器的第一输入端子I禹合到第一 DC阻塞电容器，并且其中放大器的第二输入端子耦合到第二 DC阻塞电容器；在第一输入端子和第一输出端子之间I禹合的第一反馈电容器；在第二输入端子和第二输出端子之间I禹合的第二反馈电容器；具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第一比较器，其中该第一比较器的第一输入端子稱合到放大器的第一输出端子；具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第二比较器，其中该第二比较器的第一输入端子耦合到放大器的第二输出端子；耦合到第一比较器的第二输入端子和第二比较器的第二输入端子的斜坡发生器；耦合到第一和第二比较器的输出端子的逻辑电路；在第一和第二节点之间I禹合的输出电容器；在供电轨和第一节点之间耦合的第一开关，其中该第一开关在第一模式中由逻辑电路闭合；在第一节点和第四节点之间耦合的第二开关，其中该第二开关在第二模式中由逻辑电路闭合；在第一节点和第三节点之间耦合的第三开关，其中该第三开关在第三模式中由逻辑电路闭合；在第二节点和第四节点之间耦合的第四开关，其中该第四开关在第一模式和第三模式中由逻辑电路闭合；在第二节点和第四节点之间耦合的第五开关，其中该第五开关在第二模式中由逻辑电路闭合；以及在第三节点和第四节点之间耦合的第六开关，其中该第六开关在第一模式中由逻辑电路闭合。根据本发明的示例性实施例，所述设备进一步包含耦合到第一和第二 DC阻塞电容器以便提供输入信号的音源。根据本发明的示例性实施例，所述设备进一步包含耦合到第三节点的扬声器。
参考附图对示例性实施例进行描述，其中图I是根据本发明的示例性实施例的D类放大器的示例的电路图；以及图2是采用图I的D类放大器的系统。
具体实施例方式在图I中，参考标记100总体指示根据本发明的示例性实施例的D类放大器的示例。放大器100 —般包含直流(DC)阻塞电容器Cl和C2、输入电阻器R2和R3、积分器102、脉宽调制器(PWM) 104、逻辑电路106以及输出级108。积分器102 —般包含放大器110、反馈电容器C3和C4，以及电阻器Rl和R4。PWM 104 一般包含比较器112和114以及斜坡发生器116,并且输出级108 —般包含输出电容器C5 (其可以是信号电容器或多联电容器)和开关SI到S6。另外，供电轨VDD通常耦合到电池组、电池或另一电源。在操作中，放大器100接收模拟输入信号IN,并生成输出信号OUT(其一般具有“O”或接地，“-I”或负电源电压，以及“+I”或正电源电压值)。为实现这种情况，向电容器Cl和C2与电阻器R2和R3提供输入信号IN (—般是差分的，但也可以是单端的)，其中电容器Cl和C2操作以从输入信号IN基本移除DC分量。另外，电容器Cl和C2是放大器100操作不必需的任选组件。积分器102然后将源自电容器Cl和C2与电阻器R2和R3的信号积分。比较器112和114中的每个都从积分器102接收(差分)积分信号的一部分，并将它的部分 与源自斜坡发生器116的斜坡信号比较。源自比较器112和114的比较结果可以由逻辑电路106使用，从而为开关SI到S6生成控制信号。特别地，存在操作的三个模式。在第一模式中，逻辑电路106闭合开关SI、S4和S6，这将输出节点N4和节点N2耦合到节点N3 (其耦合到地)，并将节点NI耦合到供电轨VDD。因此，输出电容器C5可以充电到供电轨VDD上的电压，同时“O”从节点N4输出。在第二模式中，逻辑电路106闭合开关S3和S4，从而在节点N4提供正电源电压或“+1”，因为电容器C5的正极板(充电到供电轨VDD上的电压的板)耦合到节点N4，而相对的电容器C5的负极板耦合到地。可替换地，对于第二模式，开关SI和S3可以闭合，从而在节点N4直接提供来自供电轨VDD的正电源电压或“+I”。在第三模式中，因为电容器C5的正极板耦合到地，所以逻辑电路106闭合开关S2和S5，从而向输出节点N4提供负电源电压或“_1”，而电容器C5的负极板耦合到节点N4。可替换地，五个开关可以用来实现基本相同的结果。由于该配置，可以消除用于常规电路从而生成负轨电压的大型外部电容器(约I μ F到约47 μ F的数量级)。另外，具有DC功率损耗的减少，并具有比常规放大器提高的效率。特别地，仿真结果示出在16 Ω输送ImW时，比TI的ΤΡΑ6140提高40_50%。另外，仿真结果还示出在轨VDD上3. 6V的电源电压，以及约32 Ω负载电阻的情况下以IkHz输送的约Imff的约O. 2%的总谐波失真THD。然而，对该放大器100具有一些限制。因为电容器C5具有相对短的放电时间，所以电容器C5不是真实电压源(相似于电池组或电源)。该短的放电时间限制通过节点Ν4的输出脉宽，但如果在逻辑电路106内的控制环充分快，并且电容器C5充分大，那么电容器C5的迅速放电时间不应显著影响性能。例如，使用约IMHz的内部时钟频率与约I μ F的电容一般是充分的。另外，因为逻辑电路106 —般将简单差分PWM调制转换为SE三元PWM调制，所以输出占空比一般限于约50%。现在转到图2，可见采用放大器100的系统200的示例。一般，系统200是从音源202生成音频信号的便携媒体装置(即MP3播放器)。放大器100从音源202接收该音频信号，并通过输出Ν4向扬声器204 (即耳机)提供放大信号。音频装置202和放大器100中的每个都由机载电池206 (即电池组)供电。
因此意图覆盖具有在示例性实施例的背景下描述的特征或步骤的一个或更多的不同组合的实施例，所述示例性实施例具有这些特征或步骤中的全部或仅一些。本领域技术人员将意识到许多其它实施例和变型也可能在要求保护的本发明的范 围内。
权利要求
1.一种设备，包括 接收输入信号的积分器； 耦合到所述积分器的脉宽调制器PWM ； 耦合到所述脉宽调制器的逻辑电路；以及 输出级，所述输出级具有 第一节点； 第二节点； 第三节点； 耦合到地的第四节点； 在所述第一和第二节点之间耦合的电容器；以及 耦合到所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点、所述第四节点和供电轨的开关网络； 其中所述开关网络由所述逻辑电路控制，以便在第一模式、第二模式和第三模式中操作； 其中，在所述第一模式中，所述电压源将所述电容器充电并且所述第三节点接地； 其中，在所述第二模式中，所述电容器向所述第三节点提供正电源电压；以及 其中，在所述第三模式中，所述电容器提供所述第三模式中的负电源电压。
2.根据权利要求I所述的设备，其中所述开关网络进一步包含 在所述供电轨和所述第一节点之间耦合的第一开关，其中所述第一开关在所述第一模式中闭合； 在所述第一节点和所述第四节点之间耦合的第二开关，其中所述第二开关在所述第三模式中闭合； 在所述第一节点和所述第三节点之间耦合的第三开关，其中所述第三开关在所述第二模式中闭合； 在所述第二节点和所述第四节点之间耦合的第四开关，其中所述第四开关在所述第一模式和所述第二模式中闭合； 在所述第二节点和所述第四节点之间耦合的第五开关，其中所述第五开关在所述第三模式中闭合；以及 在所述第三节点和所述第四节点之间耦合的第六开关，其中所述第六开关在所述第一模式中闭合。
3.根据权利要求I所述的设备，其中所述输入信号是差分的。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述积分器进一步包含 具有第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子和第二输出端子的放大器； 在所述第一输入端子和所述第一输出端子之间耦合的第一反馈电容器；以及 在所述第二输入端子和所述第二输出端子之间耦合的第二反馈电容器。
5.根据权利要求I所述的设备，其中所述脉宽调制器进一步包含 具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第一比较器，其中所述第一比较器的所述第一输入端子耦合到所述积分器，并且其中所述第一比较器的所述输出端子耦合到所述逻辑电路；具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第二比较器，其中所述第二比较器的所述第一输入端子耦合到所述积分器，并且其中所述第二比较器的所述输出端子耦合到所述逻辑电路；以及 耦合到所述第一比较器的所述第二输入端子和所述第二比较器的所述第二输入端子的斜坡发生器。
6.根据权利要求I所述的设备，进一步包含生成音频信号的音源；耦合到所述音源以便接收所述音频信号的第二电容器；以及耦合到所述第三节点的扬声器；并且其中所述积分器耦合到所述第二电容器；以及所述第二电容器、积分器、脉宽调制器、逻辑电路和输出级提供D类放大器。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述开关网络进一步包括 在所述供电轨和所述第一节点之间耦合的第一开关，其中所述第一开关在所述第一模式中闭合； 在所述第一节点和所述第四节点之间耦合的第二开关，其中所述第二开关在所述第三模式中闭合； 在所述第一节点和所述第三节点之间耦合的第三开关，其中所述第三开关在所述第二模式中闭合； 在所述第二节点和所述第四节点之间耦合的第四开关，其中所述第四开关在所述第一模式和所述第二模式中闭合； 在所述第二节点和所述第四节点之间耦合的第五开关，其中所述第五开关在所述第三模式中闭合；以及 在所述第三节点和所述第四节点之间耦合的第六开关，其中所述第六开关在所述第一模式中闭合。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述积分器进一步包含 具有第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子和第二输出端子的放大器；以及 在所述第一输入端子和所述第一输出端子之间耦合的第一反馈电容器；以及 在所述第二输入端子和所述第二输出端子之间耦合的第二反馈电容器。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述脉宽调制器进一步包括 具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第一比较器，其中所述第一比较器的所述第一输入端子耦合到所述积分器，并且其中所述第一比较器的所述输出端子耦合到所述逻辑电路； 具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子的第二比较器，其中所述第二比较器的所述第一输入端子耦合到所述积分器，并且其中所述第二比较器的所述输出端子耦合到所述逻辑电路；以及 耦合到所述第一比较器的所述第二输入端子和所述第二比较器的所述第二输入端子的斜坡发生器。
全文摘要
一种D类放大器，该D类放大器具有提供负电源电压、正电源电压和接地的输出级。在描述的放大器100中，向电容器(C1，C2)和电阻器(R2，R3)提供模拟输入信号(IN)，从而基本移除DC分量，并之后由积分器(102)积分。比较器(112、114)接收(差分)积分信号的部分，以便与源自斜坡发生器116的斜坡信号比较。比较结果由逻辑电路(106)使用，从而为输出级(108)的开关(S1到S6)生成控制信号。
文档编号H03F3/217GK102844982SQ201080065931
公开日2012年12月26日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年3月30日
发明者B·E·富瑞特, D·J·白德文 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司